伺服电机内部结构及其工作原理.pdf

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1、伺服电机内部结构 伺服电机工作原理 伺服电机原理 一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差 90的绕组,一个是励磁绕组 Rf,它始终接在交流电压Uf 上；另一个是控制绕组 L,联接控制信号电压 Uc;所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机;交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点;目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量

2、,转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用;交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动;当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转;交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单机异步电动机相比,有三个显著特点：1、起动转矩大 由于转子

3、电阻大,其转矩特性曲线如图 3 中曲线 1 所示,与普通异步电动机的转矩特性曲线 2 相比,有明显的区别;它可使临界转差率 S01,这样不仅使转矩特性机械特性更接近于线性,而且具有较大的起动转矩;因此,当定子一有控制电压,转子立即转动,即具有起动快、灵敏度高的特点;2、运行范围较广 3、无自转现象 正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压,电机立即停止运转;当伺服电动机失去控制电压后,它处于单相运行状态,由于转子电阻大,定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性 T1S1、T2S2 曲线以及合成转矩特性 TS 曲线 交流伺服电动机的输出功率一般是;当电源频率为 50Hz,电压

4、有 36V、110V、220、380V；当电源频率为 400Hz,电压有 20V、26V、36V、115V 等多种;交流伺服电动机运行平稳、噪音小;但控制特性是非线性,并且由于转子电阻大,损耗大,效率低,因此与同容量直流伺服电动机相比,体积大、重量重,所以只适用于的小功率控制系统;交流伺服电动机原理 伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度;伺服电机的精度决定于编码器的精度线数;伺服电动机在伺服系统中控制机械元件运转的发动机.是一种补助马达间接变速

5、装置;又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出;分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降,作用：伺服电机,可使控制速度,位置精度非常准确;直流伺服电机分为有刷和无刷电机;有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便换碳刷,产生电磁干扰,对环境有要求;因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合;无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定;控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相

6、;电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境;交流伺服电机也是无刷电机,分为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率;大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低;因而适合做低速平稳运行的应用;伺服电动机基本知识讲解 伺服电动机 伺服电动机又叫执行电动机,或叫控制电动机;在自动控制系统中,伺服电动机是一个执行元件,它的作用是把信号控制电压或相位变换成机械位移,也就是把接收到的电信号变为电机的一定转速或角位移;其容量一般在,常用的是 30W以下;伺服电动机有直流和交流之分;一、交流伺服电动机 交流伺服电动机定子的构造基本上

7、与电容分相式单相异步电动机相似,如图 1所示;其定子上装有两个位置互差 90的绕组,一个是励磁绕组 Rf,它始终接在交流电压 Uf 上；另一个是控制绕组 L,联接控制信号电压 Uc;所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机;交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点;目前应用较多的转子结构有两种形式：一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做得细长；另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很薄,仅,为了减小磁路的磁

8、阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子,如图 2 所示;空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用;图 1 交流伺服电动机原理图 图 2 空心杯形转子伺服电动机结构 交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动;当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转;交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单机异步电动机相比,有三个显著特点：1、起动转矩大 由于转子电

9、阻大,其转矩特性曲线如图 3 中曲线 1 所示,与普通异步电动机的转矩特性曲线 2 相比,有明显的区别;它可使临界转差率 S01,这样不仅使转矩特性机械特性更接近于线性,而且具有较大的起动转矩;因此,当定子一有控制电压,转子立即转动,即具有起动快、灵敏度高的特点;图 3 伺服电动机的转矩特性 2、运行范围较宽 如图 3 所示,较差率 S 在 0 到 1 的范围内伺服电动机都能稳定运转;3、无自转现象 正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压,电机立即停止运转;当伺服电动机失去控制电压后,它处于单相运行状态,由于转子电阻大,定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性 T1S1、

10、T2S2 曲线以及合成转矩特性 TS 曲线如图 4 所示,与普通的单相异步电动机的转矩特性图中TS 曲线不同;这时的合成转矩 T 是制动转矩,从而使电动机迅速停止运转;图 4 伺服电动机单相运行时的转矩特性 图 5 是伺服电动机单相运行时的机械特性曲线;负载一定时,控制电压 Uc 愈高,转速也愈高,在控制电压一定时,负载增加,转速下降;图 5 伺服电动机的机械特性 交流伺服电动机的输出功率一般是;当电源频率为 50Hz,电压有 36V、110V、220、380V；当电源频率为 400Hz,电压有 20V、26V、36V、115V 等多种;交流伺服电动机运行平稳、噪音小;但控制特性是非线性,并且

11、由于转子电阻大,损耗大,效率低,因此与同容量直流伺服电动机相比,体积大、重量重,所以只适用于的小功率控制系统;二、直流伺服电动机 直流伺服电动机的结构和一般直流电动机一样,只是为了减小转动惯量而做得细长一些;它的励磁绕组和电枢分别由两个独立电源供电;也有永磁式的,即磁极是永久磁铁;通常采用电枢控制,就是励磁电压 f 一定,建立的磁通量 也是定值,而将控制电压 Uc 加在电枢上,其接线图如图 6 所示;图 6 直流伺服电动机接线图 直流伺服电动机的机构特性 n=fT 和直流他励电动机一样,也用下式表示：n=Uc/KE-Ra/KEKTT 图 7 是直流伺服电动机在不同控制电压下 Uc 为额定控制电

12、压的机械特性曲线;由图可见：在一定负载转矩下,当磁通不变时,如果升高电枢电压,电机的转速就升高；反之,降低电枢电压,转速就下降；当 Uc0 时,电动机立即停转;要电动机反转,可改变电枢电压的极性;图 7 直流伺服电动机的 n=fT 曲线 直流伺服电动机和交流伺服电动机相比,它具有机械特性较硬、输出功率较大、不自转,起动转矩大等优点;交流的伺服电动机的原理 交流伺服电机的定子装有三相对称的绕组,而转子是永久磁极;当定子的绕组中通过三相电源后,定子与转子之间必然产生一个旋转场;这个旋转磁场的转速称为同步转速;电机的转速也就是磁场的转速;由于转子有磁极,所以在极低频率下也能旋转运行;所以它比异步电机

13、的调速范围更宽;而与直流伺服电机相比,它没有机械换向器,特别是它没有了碳刷,完全排除了换向时产生火花对机械造成的磨损,另外交流伺服电机自带一个编码器;可以随时将电机运行的情况“报告”给驱动器,驱动器又根据得到的“报告”更精确的控制电机的运行;由此可见交流伺服电机优点确实很多;可是技术含量也高了,价格也高了;最重要是对交流伺服电机的调试技术提高了;也就是电机虽好,如果调试不好一样是问题多多;伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的 U/V/W 三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度;伺服电机的精度决定

14、于编码器的精度线数;4.什么是伺服电机有几种类型工作特点是什么 答：伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出;分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀速下降,请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别 答：交流伺服要好一些,因为是正弦波控制,转矩脉动小;直流伺服是梯形波;但直流伺服比较简单,便宜;永磁交流伺服电动机 20 世纪 80 年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自

15、的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新;交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机;90 年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动;交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异;永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有：无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低;定子绕组散热比较方便;惯量小,易于提高系统的快速性;适应于高速大力矩工作状态;同功率下有较小的体积和重量;伺服电动机的介绍 伺服电动机或称执行电动机是自动控制系统和计算装置中广泛应用的一种执行元件;其作用为把接受的电信号转换为

16、电动机转轴的角位移或角速度;按电流种类的不同,伺服电动机可分为直流和交流两大类;一、交流伺服电动机 1、结构和原理 交流伺服电动机的定子绕组和单相异步电动机相似,它的定子上装有两个在空间相差 90电角度的绕组,即励磁绕组和控制绕组;运行时励磁绕组始终加上一定的交流励磁电压,控制绕组上则加大小或相位随信号变化的控制电压;转子的结构形式笼型转子和空心杯型转子两种;笼型转子的结构与一般笼型异步电动机的转子相同,但转子做的细长,转子导体用高电阻率的材料作成;其目的是为了减小转子的转动惯量,增加启动转矩对输入信号的快速反应和克服自转现象;空心杯形转子交流伺服电动机的定子分为外定子和内定子两部分;外定子的

17、结构与笼型交流伺服电动机的定子相同,铁心槽内放有两相绕组;空心杯形转子由导电的非磁性材料如铝做成薄壁筒形,放在内、外定子之间;杯子底部固定于转轴上,杯臂薄而轻,厚度一般在,因而转动惯量小,动作快且灵敏;交流伺服电动机的工作原理和单相异步电动机相似,LL 是有固定电压励磁的励磁绕组,LK 是有伺服放大器供电的控制绕组,两相绕组在空间相差 90电角度;如果IL与Ik 的相位差为 90,而两相绕组的磁动势幅值又相等,这种状态称为对称状态;与单相异步电动机一样,这时在气隙中产生的合成磁场为一旋转磁场,其转速称为同步转速;旋转磁场与转子导体相对切割,在转子中产生感应电流;转子电流与旋转磁场相互作用产生转

18、矩,使转子旋转;如果改变加在控制绕组上的电流的大小或相位差,就破坏了对称状态,使旋转磁场减弱,电动机的转速下降;电机的工作状态越不对称,总电磁转矩就越小,当除去控制绕组上信号电压以后,电动机立即停止转动;这是交流伺服电动机在运行上与普通异步电动机的区别;交流伺服电动机有以下三种转速控制方式：1 幅值控制 控制电流与励磁电流的相位差保持 90不变,改变控制电压的大小;2 相位控制 控制电压与励磁电压的大小,保持额定值不变,改变控制电压的相位;3幅值相位控制 同时改变控制电压幅值和相位;交流伺服电动机转轴的转向随控制电压相位的反相而改变;2 工作特性和用途 伺服电动机的工作特性是以机械特性和调节特

19、性为表征;在控制电压一定时,负载增加,转速下降；它的调节特性是在负载一定时,控制电压越高,转速也越高;伺服电动机有三个显著特点：1 启动转矩大 由于转子导体电阻很大,可使临界转差率,定子一加上控制电压,转子立即启动运转 运行范围宽 在转差率从到的范围内都能稳定运转 无自转现象 控制信号消失后,电动机旋转不停的现象称自转自转现象破坏了伺服性,显然要避免 正常运转的伺服电动机只要失去控制电压后,伺服电动机就处于单相运行状态;由于转子导体电阻足够大,使得总电磁转矩始终是制动性的转矩,当电动机正转时失去控制电压,产生的转矩为负;而反转时失去 UK,产生的转矩为正 1S2 时,不会产生自转现象,可以自行

20、制动,迅速停止运转,这也是交流伺服电动机与异步电动机的重要区别;不同类型的交流伺服电动机具有不同的特点;笼型转子交流伺服电动机具有励磁电流较小、体积较小、机械强度高等特点；但是低速运行不够平稳,有抖动现象;空心杯形转子交流伺服电动机具有结构简单、维护方便、转动惯量小、运行平滑、噪声小、没有无线电干扰、无抖动现象等优点；但是励磁电流较大,体积也较大,转子易变形,性能上不及直流伺服电动机;交流伺服电动机适用于100W 小功率自动控制系统中,频率有 50Hz、400Hz等多种;笼型转子交流伺服电动机产品为 SL 系列;空心杯形转子交流伺服电动机为 SK 系列,用于要求运行平滑的系统中;二、直流伺服电

21、动机 直流伺服电动机的基本结构与普通他励直流电动机一样,所不同的是直流伺服电动机的电枢电流很小,换向并不困难,因此都不用装换向磁极,并且转子做得细长,气隙较小,磁路不饱和,电枢电阻较大;按励磁方式不同,可分为电磁式和永磁式两种,电磁式直流伺服电动机的磁场由励磁绕组产生,一般用他励式；永磁式直流伺服电动机的磁场由永久磁铁产生,无需励磁绕组和励磁电流,可减小体积和损耗;为了适应各种不同系统的需要,从结构上作了许多改进,又发展了低惯量的无槽电枢、空心杯形电枢、印制绕组电枢和无刷直流伺服电动机等品种;电磁式直流伺服电动机的工作原理和他励式直流电动机同,因此电磁式直流伺服电动机有两种控制转速方式：电枢控

22、制和磁场控制;对永磁式直流伺服电动机来说,当然只有电枢控制调速一种方式;由于磁场控制调速方式的性能不如电枢控制调速方式,故直流伺服电动机一般都采用电枢控制调速;直流伺服电动机转轴的转向随控制电压的极性改变而改变;直流伺服电动机的机械特性与他励直流电动机相似,即 n=n0-T;当励磁不变时,对不同电压 Ua 有一组下降的平行直线;直流伺服电动机适用于功率稍大 1600W 的自动控制系统中;与交流伺服电动机相比,它的调速线性好,体积小,质量轻,启动转矩大,输出功率大;但它的结构复杂,特别是低速稳定性差,有火花会引起无线电干扰;近年来,发展了低惯量的无槽电枢电动机、空心杯形电枢电动机、印制绕组电枢电

23、动机和无刷直流伺服电动机,来提高快速响应能力,适应自动控制系统的发展需要,如电视摄象机、录音机、XY 函数记录 永磁交流伺服电动机 20 世纪 80 年代以来,随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展,永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展,各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新;交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向,使原来的直流伺服面临被淘汰的危机;90 年代以后,世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动;交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异;永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较,主要优点有

24、：无电刷和换向器,因此工作可靠,对维护和保养要求低;定子绕组散热比较方便;惯量小,易于提高系统的快速性;适应于高速大力矩工作状态;同功率下有较小的体积和重量;自从德国 MANNESMANN 的 Rexroth 公司的 Indramat 分部在 1978 年汉诺威贸易博览会上正式推出 MAC 永磁交流伺服电动机和驱动系统,这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段;到 20 世纪 80 年代中后期,各公司都已有完整的系列产品;整个伺服装置市场都转向了交流系统;早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足,尚不能完全满足运动控制的要求,近年来随着微处理器、新型数字信号处理

25、器 DSP 的应用,出现了数字控制系统,控制部分可完全由软件进行,分别称为摪胧 只瘮或摶旌鲜綌、撊 只瘮的永磁交流伺服系统;到目前为止,高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机,控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统;典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司;日本安川电机制作所推出的小型交流伺服电动机和驱动器,其中 D 系列适用于数控机床最高转速为 1000r/min,力矩为,R 系列适用于机器人最高转速为 3000r/min,力矩为;之后又推出 M、F、S、H、C、G 六个系列;20 世纪 90 年代先后推出了新的 D 系列和 R 系列;由旧系列矩形

26、波驱动、8051 单片机控制改为正弦波驱动、80C、154CPU 和门阵列芯片控制,力矩波动由 24降低到 7,并提高了可靠性;这样,只用了几年时间形成了八个系列功率范围为6kW 较完整的体系,满足了工作机械、搬运机构、焊接机械人、装配机器人、电子部件、加工机械、印刷机、高速卷绕机、绕线机等的不同需要;以生产机床数控装置而著名的日本法奴克 Fanuc 公司,在 20 世纪 80 年代中 期也推出了 S 系列 13 个规格和 L 系列 5 个规格的永磁交流伺服电动机;L 系列 有较小的转动惯量和机械时间常数,适用于要求特别快速响应的位置伺服系统;日本其他厂商,例如：三菱电动机 HC-KFS、HC

27、-MFS、HC-SFS、HC-RFS 和HC-UFS 系列、东芝精机 SM 系列、大隈铁工所 BL 系列、三洋电气 BL 系列、立石电机 S 系列等众多厂商也进入了永磁交流伺服系统的竞争行列;德国力士乐公司 Rexroth 的 Indramat 分部的 MAC 系列交流伺服电动机共有 7个机座号 92 个规格;德国西门子 Siemens 公司的 IFT5 系列三相永磁交流伺服电动机分为标准型和短型两大类,共 8个机座号 98种规格;据称该系列交流伺服电动机与相同输出力矩的直流伺服电动机 IHU系列相比,重量只有后者的 12,配套的晶体管脉宽调制驱动器 6SC61 系列,最多的可供 6 个轴的电

28、动机控制;德国宝石 BOSCH 公司生产铁氧体永磁的 SD 系列 17 个规格和稀土永磁的 SE系列 8 个规格交流伺服电动机和 Servodyn SM 系列的驱动控制器;美国著名的伺服装置生产公司 Gettys 曾一度作为 Gould 电子公司一个分部 Motion Control Division,生产 M600 系列的交流伺服电动机和 A600 系列的伺服 驱动器;后合并到 AEG,恢复了 Gettys 名称,推出 A700 全数字化的交流伺服系统;美国 A-BALLEN-BRADLEY 公司驱动分部生产 1326 型铁氧体永磁交流伺服电动机和 1391 型交流 PWM 伺服控制器;电动

29、机包括 3 个机座号共 30 个规格;.Industrial Drives 是美国著名的科尔摩根 Kollmorgen 的工业驱动分部,曾生产BR-210、BR-310、BR-510 三个系列共 41 个规格的无刷伺服电动机和 BDS3型伺服驱动器;自 1989年起推出了全新系列设计的摻鹣盗袛 Goldline永磁交流伺服电动机,包括 B 小惯量、M 中惯量和 EB 防爆型三大类,有 10、20、40、60、80 五种机座号,每大类有 42 个规格,全部采用钕铁硼永磁材料,力矩范围为,功率范围为;配套的驱动器有 BDS4 模拟型、BDS5 数字型、含位置控制和 Smart Drive 数字型三

30、个系列,最大连续电流 55A;Goldline 系列代表了当代永磁交流伺服技术最新水平;爱尔兰的 Inland 原为 Kollmorgen 在国外的一个分部,现合并到 AEG,以生产直流伺服电动机、直流力矩电动机和伺服放大器而闻名;生产 BHT1100、2200、3300 三种机座号共 17 种规格的 SmCo 永磁交流伺服电动机和八种控制器;法国 Alsthom 集团在巴黎的 Parvex 工厂生产 LC 系列长型和 GC 系列短型 交流伺服电动机共 14 个规格,并生产 AXODYN 系列驱动器;原苏联为数控机床和机器人伺服控制开发了两个系列的交流伺服电动机;其中By 系列采用铁氧体永磁,

31、有两个机座号,每个机座号有 3 种铁心长度,各有两种绕组数据,共 12 个规格,连续力矩范围为 7;2By 系列采用稀土永磁,6 个机座号 17 个规格,力矩范围为,配套的是 3 型控制器;近年日本松下公司推出的全数字型 MINAS 系列交流伺服系统,其中永磁交流伺服电动机有 MSMA 系列小惯量型,功率从5kW,共 18 种规格；中惯量型有 MDMA、MGMA、MFMA 三个系列,功率从,共 23 种规格,MHMA 系列大惯量电动机的功率范围从5kW,有 7 种规格;韩国三星公司近年开发的全数字永磁交流伺服电动机及驱动系统,其中 FAGA交流伺服电动机系列有 CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX 多种型号,功率从 15W5kW;现在常采用摴 时浠 蕯 Powerrate 这一综合指标作为伺服电动机的品质因数,衡量对比各种交直流伺服电动机和步进电动机的动态响应性能;功率变化率表示电动机连续额定力矩和转子转动惯量之比;按功率变化率进行计算分析可知,永磁交流伺服电动机技术指标以美国 的 Goldline 系列为最佳,德国 Siemens 的 IFT5 系列次之;